化學與能源

蔣哥PB13206***化學與能源蔣哥PB1320能源就是向自然界提供能量轉化的物質（礦物質能源，核物理能源，大氣環流能源，地理性能源）。能源是人類活動的物質基礎。在某種意義上講，人類社會的發展離不開優質能源的出現和先進能源技術的使用。現在將能源分為傳統能源和新型能源分別討論能源在應用中所用到的化學知識與工藝。能源能源就是向自然界提供能量轉化的物質（礦物質能源，核物傳統能源煤煤主要由碳、氫、氧、氮、硫和磷等元素組成，碳、氫、氧三者總和約占有機質的95%以上，是非常重要的能源，也是冶金、化學工業的重要原料。傳統能源煤煤的綜合利用煤的氣化

煤的氣化就是把煤轉化為可燃性氣體的過程。在高溫下煤和水蒸氣作用得到CO、H2、CH4等氣體，生成的氣體可作為燃料或化工原料氣。煤的液化

煤的液化是把煤轉化為液體燃料的過程。在一定條件下，使煤和氫氣作用，可以得到液體燃料（甲醇等）。煤氣化生成的水煤氣在經過催化合成也可以得到液體燃料。煤的干餾

煤干餾是將煤隔絕空氣加強熱，使其發生復雜的變化，得到焦炭、煤焦油、焦爐氣、粗氨水、粗苯等。通過煤的綜合利用，大大提高了煤的利用率，并且可以提供大量的化工原料。煤的綜合利用煤的氣化石油

石油又稱原油，是一種粘稠的、深褐色液體。地殼上層部分地區有石油儲存。主要成分是各種烷烴、環烷烴、芳香烴的混合物。石油主要被用來作為燃油和汽油，也是許多化學工業產品如溶液、化肥、殺蟲劑和塑料等的原料。981鉆井平臺石油石油又稱原油，是一種粘稠的、深褐色液體。地殼上層部石油的綜合利用石油的分餾石油的綜合利用石油的裂化與裂解

裂化反應，或稱作裂解作用，是指把較大的烷烴分子間的碳鍵破壞，并生成較小的碳氫化合物的過程。溫度與催化劑的使用對反應速率與所生成的物質有極大影響。此類型反應的另一重要優點是能夠生成更具經濟價值的烯烴等不飽和化合物。反應機理：其中一類的裂化反應是自由基的作用，以乙烷為例：鏈的引發：

CH3CH3→2CH3·

鏈的傳遞：

CH3·+CH3CH3→CH4+CH3CH2·

CH3CH2·→CH2=CH2+H·

CH3CH2·+CH2=CH2→CH3CH2CH2CH2·

鏈的終止：

CH3·+CH3CH2·→CH3CH2CH3

CH3CH2·+CH3CH2·→CH2=CH2+CH3CH3例如：C16H34→C8H18+C8H16C8H18→C4H10+C4H8C4H10→CH4+C3H6C4H10→C2H4+C2H6石油的裂化與裂解天然氣

天然氣，是一種多組分的混合氣態化石燃料，主要成分是烷烴，其中甲烷占絕大多數，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷。天然氣燃燒后無廢渣、廢水產生，相較煤和石油等能源有使用安全、熱值高、潔凈等優勢。CH4+2O2→CO2+2H2O中俄簽署4000億美元天然氣協議天然氣天然氣，是一種多組分的混合氣態化石燃料，主要成天然氣的綜合利用

天然氣除了直接用作燃料，還可用于發電，以天然氣為燃料的燃氣輪機電廠的廢物排放水平大大低于燃煤與燃油電廠，而且發電效率高，建設成本低，建設速度快；天然氣也可用作化工原料，以天然氣為原料的一次加工產品主要有合成氨、甲醇、炭黑等近20個品種，經二次或三次加工后的重要化工產品則包括甲醛、醋酸、碳酸二甲酯等50個品種以上。甲醇合成工序：CH4+H2O→CO+3H2（鎳催化劑）CO+H2O→CO2+H2（鎳催化劑）CO+2H2=CH3OH

CO2+3H2=CH3OH+H2O天然氣的綜合利用天然氣除了直接用作燃料，還可用于發電傳統能源的缺點

傳統能源大多屬于不可再生能源，雖然像煤的儲量是所有礦物中最豐富的，還有石油和天然氣等，由于其不可再生性，這些能源總有消耗完的一天。傳統能源在利用時，大多是通過燃燒，在燃燒的過程中，產生各種不同的氣體、煙塵微粒，污染的空氣、水源，特別是排放的溫室氣體，使全球氣候變暖，對人類的生活環境影響較大，就對每個人來說，對其身體，特別是呼吸道方面影響較大。而且其能源利用率也不高。因此，新型能源逐漸誕生了。傳統能源的缺點傳統能源大多屬于不可再生能源，雖然像煤的新型能源核能（下面僅談其與化學的關系）鈾的分離與提取基本原理

利用238UF6和235UF6蒸氣擴散速度的差異，可分離235U和238U，達到富集核燃料235U的目的。新型能源核能（下面僅談其與化學的關系）

核反應堆中的減速劑主要是重水，它可以減小中子的速率，使之符合發生裂變過程的需要。重水（D2O）的生產：地球上的水約有3,200分之一是半重水（HDO）。半重水可以通過電解及蒸餾生產或以化學方法從普通水中提煉出來。可以使用化學方法，是因為重氫及普通氫原子由于質量稍為不同，所以化學反應的速度有異。當水中的半重水到了相當的濃度，重水便會因為水份子之間交換氫原子而慢慢出現。要從半重水再提煉純正的重水亦可使用電解、蒸餾及化學方法。但是電解及蒸餾所需要的能量會非常巨大，因此一般這一步只會使用化學方法。下面介紹兩種主要的化學交換法：GS法是基于在一系列塔內（通過頂部冷和底部熱的方式操作）水和硫化氫之間氫與氘交換的一種方法。在此過程中，水向塔底流動，而硫化氫氣體從塔底向塔頂循環。使用一系列多孔塔板促進硫化氫氣體和水之間的混合。在低溫下氘向水中遷移，而在高溫下氘向硫化氫中遷移。氘被濃縮了的硫化氫氣體或水從第一級塔的熱段和冷段的接合處排出，并且在下一級塔中重復這一過程。氨——氫交換法可以在催化劑存在下通過同液態氨的接觸從氫氣中提取氘。氫氣被送進交換塔，而后送至氨轉換器。在交換塔內氣體從塔底向塔頂流動，而液氨從塔頂向塔底流動。氘從H2中洗滌下來并在液氨中濃集。液氨然后流入塔底部的氨裂化器，而氣體流入塔頂部的氨轉換器。在以后的各級中得到進一步濃縮，最后通過蒸餾生產出反應堆級重水。核反應堆中的減速劑主要是重水，它可以減小中子的速冷卻劑利用液態鈉和鈉鉀合金具有大的熱容量和良好的傳熱性能，用其做冷卻劑效果良好。大亞灣核電站冷卻劑海洋滲透能

海水滲透法發電原理——滲透原理：如果有兩種鹽溶液，一種溶液中鹽的濃度高，一種溶液的濃度低，那么把兩種溶液放在一起并用一種隔膜隔離后，會產生滲透壓，水會從濃度低的溶液流向濃度高的溶液。江河里流動的是淡水，而海洋中存在的是咸水，兩者也存在一定的濃度差。在江河的入海口，淡水的水壓比海水的水壓高，如果在入海口放置一個渦輪發電機，淡水和海水之間的滲透壓就可以推動渦輪機來發電。而隔膜是滲透發電的關鍵，它必須具有結實、耐用、透水性能好和阻止鹽分通過的性能。而高性能隔膜的研發則要靠材料系的我們。海洋滲透能海水滲透法發電原理——滲透原理：太陽能

太陽能是一種重要的潔凈無污染新能源，太陽能電池就是實現光電轉換的一種電子學。目前深入研究和應用的太陽能電池材料主要是單晶硅、多晶硅和非晶硅系列。

單晶硅太陽能太陽能是一種重要的潔凈無污染新能源，太陽能電池高純硅的制取SiO2+2C=Si（粗）+2CO↑（雜質為焦炭）Si+2Cl2=SiCl4↑（沸點較低，可用蒸餾分離）SiCl4+2H2=4HCl+Si（純）高純硅的制取SiO2+2C=Si（粗）+2CO↑（雜質為焦氫能

氫具有高揮發性、高能量，是能源載體和燃料，同時氫在工業生產中也有廣泛應用。氫能在二十一世紀有可能在世界能源舞臺上成為一種舉足輕重的二次能源。它是一種極為優越的新能源，其主要優點有：燃燒熱值高，每千克氫燃燒后的熱量，約為汽油的3倍，酒精的3.9倍，焦炭的4.5倍。燃燒的產物是水，是世界上最干凈的能源。資源豐富，氫氣可以由水制取，而水是地球上最為豐富的資源，演繹了自然物質循環利用、持續發展的經典過程。2H2+O2=2H2O氫能氫具有高揮發性、高能量，是能源載體和燃料，同時氫氫氣的制備3Fe+4H2O(水蒸氣)=Fe3O4+4H2↑（鐵屑法）C+H2O(水蒸氣)=CO↑+H2↑（水煤氣法）2NaCl+2H2O=2NaOH+Cl2↑+H2↑(電解法）利用太陽能制取氫氣：

例如歐盟集中式太陽能研發項目清潔制作氫氣：研發團隊利用集中式太陽能系統制作氫氣，其工作原理是利用眾多圓狀拋物面反光鏡，將太陽光聚焦反射到由陶瓷材料制成的太陽能發生器（SolarReactor），發生器內部安裝多條具有納米材料涂層的管道，當水蒸氣通過管道時分解成氫和氧，其熱轉換效率可達到70%左右。氫氣的制備3Fe+4H2O(水蒸氣)=Fe3O4+4H2↑氫氣的儲存

稀土金屬合金是較有前途的合金儲氫材料,具有單位體積內高的氫儲存容量以及在溫和條件下吸附氫的能力。這些合金材料中氫的吸附和脫附性質依賴于合金組成和金屬與氫的相互作用。如Mg-30wt%的MgLaNi5和Mg-50wt%的MgLaNi5復合材料。Mgwt30%LaNi5納米晶復合物在573K時吸放氫量可達5%。而Mg-50wt%的MgLaNi5在長時間球磨后納米復合物轉化成Mg+LaHx+Mg2Ni的復合物,而其在較低的溫度下有更好的吸放氫動力學性能,在29℃、500s內吸氫量達到2.5%。LaNi5也是良好的儲氫材料。氫氣的儲存稀土金屬合金是較有前途的合金儲氫材料,具可燃冰

天然氣水合物（可燃冰）是天然氣分子（烷類）被包進水分子中，在海底低溫與壓力下結晶形成的。形成可燃冰有三個基本條件：溫度、壓力和原材料。在“可燃冰”中，平均每46個水分子構成8個籠，每個籠里容納1個CH4分子或1個游離的H2O分子。可燃冰天然氣水合物（可燃冰）是天然氣分子（烷類）被包開采方法1、CO2置換開采法：方法依據的是天然氣水合物穩定帶的壓力條件。在一定的溫度條件下，天然氣水合物保持穩定需要的壓力比CO2水合物更高。因此在某一特定的壓力范圍內，天然氣水合物會分解，而CO2水合物則易于形成并保持穩定。如果此時向天然氣水合物藏內注入CO2氣體，CO2氣體就可能與天然氣水合物分解出的水生成CO2水合物。這種作用釋放出的熱量可使天然氣水合物的分解反應得以持續地進行下去。2、固體開采法：該方法的具體步驟是，首先促使天然氣水合物在原地分解為氣液混合相，采集混有氣、液、固體水合物的混合泥漿，然后將這種混合泥漿導入海面作業船或生產平臺進行處理，促使天然氣水合物徹底分解，從而獲取天然氣。開采方法1、CO2置換開采法：方法依據的是天然氣水合物穩定帶電池

在化學電池中，化學能直接轉變為電能是靠電池內部自發進行氧化、還原等化學反應的結果，這種反應分別在兩個電極上進行。當外電路閉合時，在兩電極電位差的作用下即有電流流過外電路。電荷在電解質中的傳遞也要由離子的遷移來完成。主要有干電池、蓄電池、鋰電池、燃料電池。現對燃料電池進行具體分析。

電池在化學電池中，化學能直接轉變為電能是靠電池內部燃料電池

燃料電池的主要構成組件為：電極、電解質與連接體等。1、電極

燃料電池的電極是燃料發生氧化反應與氧化劑發生還原反應的電化學反應場所，其結構與一般電池之平板電極不同之處，在于燃料電池的電極為多孔結構，所以設計成多孔結構的主要原因是燃料電池所使用的燃料及氧化劑大多為氣體（例如氧氣、氫氣等），而氣體在電解質中的溶解度并不高，為了提高燃料電池的實際工作電流密度，故發展出多孔結構的的電極，以增加參與反應的電極表面積。2、電解質

電解質的主要作用在分隔氧化劑與還原劑，并傳導離子。

3、連接體連接體又稱作雙極板，具有收集電流、分隔氧化劑與還原劑、疏導反應氣體等之功用。其中，固體燃料電池是現在的一個研究熱門方向。燃料電池